Golang 加密洗牌

Question

我正在尝试在 Go 中实现一个使用 crypto/rand 而不是 math/rand 的字符串 shuffle 函数。 Fisher-Yates Shuffle 需要随机整数，所以我尝试实现该功能，而不必使用依赖于math/big 的crypto/rand Int。以下是我迄今为止提出的最好的方法，但有更好的方法吗？我找不到现有示例这一事实让我想知道是否有充分的理由为什么没有人这样做！

package main

import "crypto/rand"
import "fmt"
import "encoding/binary"

func randomInt(max int) int {
    var n uint16
    binary.Read(rand.Reader, binary.LittleEndian, &n)
    return int(n) % max
}

func shuffle(s *[]string) {
        slice := *s
        for i := range slice {
                j := randomInt(i + 1)
                slice[i], slice[j] = slice[j], slice[i]
        }
        *s = slice
    }

func main() {
        slice := []string{"a", "b", "c", "d", "e", "f", "h", "i", "j", "k"}
        shuffle(&slice)
        fmt.Println(slice)
}

Answer 1

n % max 中的数字分布不均。例如，

package main

import (
    "fmt"
    "math"
)

func main() {
    max := 7
    size := math.MaxUint8
    count := make([]int, size)
    for i := 0; i < size; i++ {
        count[i%max]++
    }
    fmt.Println(count[:max])
}

输出：

[37 37 37 36 36 36 36]

Answer 2

根据收到的 cmets，我认为我可以通过添加一个 uniformInt 函数、填充一个 uint32 而不是 uint16 并删除指向切片的指针来改进我的问题中的示例。

package main

import "crypto/rand"
import "fmt"
import "encoding/binary"

func randomInt() int {
        var n uint32
        binary.Read(rand.Reader, binary.LittleEndian, &n)
        return int(n)
}

func uniformInt(max int) (r int) {
        divisor := 4294967295 / max // Max Uint32
        for {
                r = randomInt() / divisor
                if r <= max {
                        break
                }
        }
        return
}

func shuffle(slice []string) {
        for i := range slice {
                j := uniformInt(i + 1)
                slice[i], slice[j] = slice[j], slice[i]
        }
}

func main() {
        slice := []string{"a", "b", "c", "d", "e", "f", "h", "i", "j", "k"}
        shuffle(slice)
        fmt.Println(slice)
}

Answer 3

Go 的 math/rand 库有很好的设施，可以从 Source 生成随机数字基元。

// A Source represents a source of uniformly-distributed 
// pseudo-random int64 values in the range [0, 1<<63).

type Source interface {
    Int63() int64
    Seed(seed int64)
}

NewSource(seed int64) 返回内置的确定性 PRNG，但 New(source Source) 将允许满足 Source 接口的任何内容。

这是一个由crypto/rand 支持的Source 示例。

type CryptoRandSource struct{}

func NewCryptoRandSource() CryptoRandSource {
    return CryptoRandSource{}
}

func (_ CryptoRandSource) Int63() int64 {
    var b [8]byte
    rand.Read(b[:])
    // mask off sign bit to ensure positive number
    return int64(binary.LittleEndian.Uint64(b[:]) & (1<<63 - 1))
}

func (_ CryptoRandSource) Seed(_ int64) {}

你可以这样使用它：

r := rand.New(NewCryptoRandSource())

for i := 0; i < 10; i++ {
    fmt.Println(r.Int())
}

math/rand 库有一个正确实现的 Intn() 方法，可确保均匀分布。

func (r *Rand) Intn(n int) int {
    if n <= 0 {
        panic("invalid argument to Intn")
    }
    if n <= 1<<31-1 {
        return int(r.Int31n(int32(n)))
    }
    return int(r.Int63n(int64(n)))
}

func (r *Rand) Int31n(n int32) int32 {
    if n <= 0 {
        panic("invalid argument to Int31n")
    }
    if n&(n-1) == 0 { // n is power of two, can mask
        return r.Int31() & (n - 1)
    }
    max := int32((1 << 31) - 1 - (1<<31)%uint32(n))
    v := r.Int31()
    for v > max {
        v = r.Int31()
    }
    return v % n
}

func (r *Rand) Int63n(n int64) int64 {
    if n <= 0 {
        panic("invalid argument to Int63n")
    }
    if n&(n-1) == 0 { // n is power of two, can mask
        return r.Int63() & (n - 1)
    }
    max := int64((1 << 63) - 1 - (1<<63)%uint64(n))
    v := r.Int63()
    for v > max {
        v = r.Int63()
    }
    return v % n
}

加密哈希函数也可以包装为 Source 以作为随机的替代方式。